双叶栅叶片回流器在离心式压缩机应用研究

张治平，刘建飞

（珠海格力电器股份有限公司，广东　珠海　519070）

双叶栅叶片回流器在离心式压缩机应用研究

张治平*，刘建飞

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）

本文讨论了扩压器与回流器对离心式压缩机运行范围及稳定性的影响，提出应用双叶栅叶片回流器改善稳定性及运行范围。通过CFD仿真及实验证明，用双叶栅叶片回流器/无叶扩压器方案替代单叶栅叶片回流器/无叶扩压器方案，可将压缩机实际运行范围扩展15%左右。

离心式压缩机；双叶栅叶片回流器；无叶扩压器；运行范围

0　引言

离心式压缩机的喘振特性导致的运行范围过窄一直是离心压缩机设计与应用面临的主要问题。为提升压缩机及机组的部分负荷性能，减少压缩机喘振的发生，主要方法有采用无叶扩压器和采用变转速调节［1-2］，但这两种方式降低最低负荷有限［3］，有些厂家通过增加可调扩压器或增加导叶机构方式调节，该种方法虽然可以显著提高运行范围，但其部分负荷性能却会显著降低，当然也可以在系统中采用热气旁通的方式调节［4］，但该种方式相当于压缩机做功的浪费。

对多级离心压缩机，回流器是一个重要的部件，对下一级气体叶轮进口状态有显著影响，自然也会影响压缩机运行范围与喘振特性，但业内对于回流器的研究较少，随着行业对离心式制冷压缩机运行范围及部分负荷性能［5］要求越来越苛刻，回流器的设计优化显得越来越重要。

本文主要介绍了一种双叶栅叶片回流器在离心压缩机中的应用，将回流器叶片拆分为前后两列，通过后列叶片限制回流器叶片的边界层分离，阻止回流器流动恶化，通过提高回流器出口速度场的均匀性改善压缩机的运行范围。并通过CFD分析与实验证明了该方案的可行性与实际效果。

1　理论分析

典型双级压缩的离心式压缩机示意图如图1所示，回流器在多级压缩机中主要用于消除一级扩压器流出气流的旋绕［6］，将气流引向二级叶轮，这会直接影响二级叶轮进口的气体状态，回流器流动恶化会影响二级叶轮进口速度场均匀性，使得二级叶轮及扩压器流动稳定性变差，压缩机运行效率降低，在恶劣工况下容易出现喘振［7］。

从回流器角度来看，影响回流器流动的主要参数有回流器入口状态、回流器叶片型线、回流器沿流线通流面积，三者在设计中需要仔细考虑［8］。

其中，回流器入口状态主要受一级扩压器影响，目前制冷行业主要采用无叶扩压器，采用的叶片回流器如图2所示。在下文中统一称现有的单列叶片的回流器为单叶栅叶片回流器，以与文中的双列叶片的回流器区分。

图2　单叶栅叶片回流器

扩压器内部在小流量条件下仍能保证较好的流动情况，但由于缺少扩压器叶片来矫正扩压器出口气流角，导致在变流量条件下，回流器叶片冲角变化较大。图3所示为Benvenuti绘制的回流器流道损失随冲角变化规律［9］，其中α表示气流冲角，α6b表示叶片入口角。

从图3中可以看出冲角变化会显著影响回流器损失，恶化回流器内流动。流量减小时，冲角变大，会在回流器叶片背压面出现边界层分离，产生较大的分离损失［10］，边界层分离产生的气流紊乱会影响下一级叶轮进口状态，降低二级叶轮流动效率，使得下一级流动恶化，导致压缩机在小流量下更容易喘振［11］。

图3　回流器流道损失变化（Benvenuti，1977［9］）

无叶扩压器/单叶栅叶片回流器方案无法同时兼顾扩压器与回流器的流动情况，无法同时兼顾效率与运行范围。针对此问题，我们进行了不断的研究与探索，在叶片扩压器中有一种双叶栅叶片扩压器［12］的结构，该结构采用前后两列扩压器叶片，可以提高叶片扩压器的运行范围，我们将此技术应用于回流器中，将叶片分为前后两列叶片，如图4所示，后列叶片置于前列叶片尾部，处于两前列叶片之间，通过与无叶扩压器配合使用。

图4　双叶栅叶片回流器

在额定工况附近运行时，气流流出上一级扩压器后，以一个较小的冲角流向前列回流器叶片，通过前列叶片对气流方向的矫正作用，后列叶片也有一个较好的气流冲角，流动损失小，下一级叶轮入口气流速度分布均匀，效率较高。在流量减小时，由于采用无叶扩压器，扩压器中流动情况较好，但流出扩压器的气流角相对于额定工况下会有较大变化，回流器叶片气流冲角增大，此时会在前列回流器的根部形成边界层分离，如图5所示虚线区域，分离的边界层继续发展会遇到后列叶片，后列叶片的压力面会限制边界层分离的发展，阻止回流器流动进一步恶化，与此同时前列叶片压力面对气流方向的矫正作用可以阻止后列叶片背压面出现边界层分离，通过此种方式可以将边界层损失限制在前列叶片尾部与后列叶片压力面之间，进而将下一级叶轮进口的气流速度分布维持在一个相对均匀的条件下。这样在离心压缩机流量变化的过程中，扩压器与回流器均可以维持在一个相对稳定的流动情况，同时消除了回流器流动不稳定对下一级叶轮与回流器流动的影响，提高了二级叶轮与回流器的流动效率，拓展整个压缩机的运行范围。

图5　大冲角下双叶栅叶片流动示意图

2　方案设计

为后续分析方便，我们对某单列回流器模型按照双叶栅叶片形式进行了再设计，其结构参数示意图如图6所示。

图6　双叶栅叶片回流器结构参数示意图

为使得分析数据更具有可比性，取双叶栅叶片入口安装角α6b、叶片出口安装角α7b、叶片入口半径R6、叶片出口半径R7均与单叶栅方案保持一致，前后列叶片在骨线的2/3处分离，即（Rd-R7）/（R6-R7）=2/3，后列叶片处于前列两叶片的中间，即：t/tcm=1/2。具体值如表1所示。

表1　回流器仿真模型参数

前后两列采用NACA-65号叶片型线，骨线采用CCR型线，公式如下：

3　CFD仿真分析

在结构方案提出后，我们针对该回流器模型进行了仿真分析，回流器三维如图7所示。其中（a）为原有的单叶栅叶片回流器，（b）为双叶栅叶片回流器，详细参数如表1所示。在构建仿真模型过程中，为了考虑一级扩压器出口弯道对于回流器气流进口的影响，我们将回流器入口的弯道包括在内，同时为衡量回流器对二级叶轮进口的影响，我们也对叶片出口进行了延伸，实际单流道模型如图8所示。为减少计算量，模型采用旋转机械常用的周期边界条件，计算模型采用速度入口边界条件，静压出口边界条件。

图7　回流器三维

图8　CFD仿真模型

采用ANSYS旋转机械模块对模型进行了网格划分及仿真分析，网格划分效果如图9所示，其中单叶栅叶片回流器模型单流道网格节点数293，508，单元数273，090，双叶栅叶片回流器模型单流道网格节点数314，535，单元数284，900。模型采用六面体划分方式，对计算结果收敛性有益。

图9　网格节点示意图

图10显示了冲角为0°时单叶栅叶片回流器仿真结果，在叶片尾部出现了较小的尾迹区，并未出现边界层分离，流动较好，模型出口处速度场范围在10 m/s～32.5 m/s，从该速度场中可以很明显地看出回流器叶片尾迹对二级进口影响。图11为单叶栅叶片回流器在入口流量降低40%时的流动仿真结果，图片显示在叶片1/3处发生了很严重的边界层分离现象，回流器出口速度场范围在0 m/s～23 m/s，流量变小后模型出口径向、周向均比正常流量下有较大恶化。

图12显示了冲角为0°时双叶栅叶片回流器仿真结果，在小冲角条件下，前后两列叶片均有一个较好的流动情况，模型出口流场18 m/s～35 m/s，整个回流器出口流场较为均匀，几乎看不到尾迹区的影响，这为下一级的叶轮创造了比较好的流动入口，改善了整个压缩机的流动效率，但由于有前后两列叶片，气流要两次冲击叶片，实际上回流器的总损失是增加的。图13显示了流量降低40%时，双叶栅叶片回流器的流动情况，边界层在前列叶片2/3处发生了分离现象，分离发散后被后列叶片阻挡，被限制在前后两列叶片之间，同时后列叶片起到了光顺气流的作用，减少尾迹区对回流器出口的影响，回流器出口流场速度分布在12 m/s～24 m/s，气流尾迹影响区远小于单叶栅方案。

图10　小冲角下单叶栅叶片回流器CFD仿真速度分布

图11　大冲角下单叶栅叶片回流器CFD仿真速度分布

图12　小冲角下双叶栅叶片回流器CFD仿真速度分布

图13　大冲角下双叶栅叶片回流器CFD仿真速度分布

CFD仿真证明，双叶栅叶片回流器可以起到限制分离的作用，确保了回流器出口（二级叶轮进口）的速度场分布均匀。叶轮是压缩机最重要的做功部件，对入口敏感。良好的入口特性将提高叶轮的做功效率，同时提高二级扩压器的流动效率，尤其是在小流量条件下，均匀的叶轮入口条件尤为重要，这可以有效提高二级叶轮及扩压器流动稳定性，提升压缩机在恶劣工况下的表现，拓展压缩机运行范围。需要指出的是，双叶栅叶片回流器与单叶栅叶片回流器相比，由于存在两次气流对叶片的冲击，损失要大一些。

4　实验验证

为验证无叶扩压器/双叶栅叶片回流器的实际效果，我们在该变频机组中通过实验进行了验证，对比了无叶扩压器/双叶栅叶片回流器（方案1）、无叶扩压器/单叶栅叶片回流器（方案2）两个方案实际效果。结果如图14所示，n表示额定转速，在不使用导叶调节与可调扩压器调节，仅采用转速调节的条件下，与无叶扩压器/单列叶片回流器方案相比，运行范围提高15%以上。但是两个方案的压缩机效率无明显变化。实验证明方案1可有效改善压缩机的运行范围。

图14　扩压器与回流器方案实验数据对比

5　结论

1）双叶栅回流器可通过后列叶片限制前列叶片尾部的流体分离，光顺叶片后气流流动，改善二级叶轮入口流动，达到稳定回流器内部流动的目的。

2）无叶扩压器/双叶栅叶片回流器方案可有效提高离心压缩机的运行范围约15%。

3）回流器的设计对压缩机运行范围有显著影响，在更精细的压缩机设计中需要仔细考虑。

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Application of Double Cascade Vaned Return Channel in a Centrifugal Compressor

ZHANG Zhi-ping*，LIU Jian-fei
（GREE Electric Appliances Inc，Zhuhai，Guangdong 519070，China）

The effect of diffuser and return channel on the stability and operation range of centrifugal compressors is discussed.Then it is referred that using the double cascade vaned return channel can improve the stability and operation range.Through the CFD simulation and experiment，it is proved that the real operation range of the compressors can be improved about 15% when using the scheme of vaneless diffuser plus double cascade vaned return channel instead of using the scheme of vaneless diffuser plus vaned return channel.

Centrifugal compressor；Double cascade vaned return channel；Vaneless diffuser；Operation range

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.204

*张治平（1982-），男，工程师，学士，产品经理。研究方向：离心式冷水机组及离心式制冷压缩机设计。联系地址：广东省珠海市前山金鸡西路789号珠海格力电器股份有限公司商用空调技术一部，邮编：519070。联系电话：18023037253。E-mail：Zzping001@126.com。

国家科技支撑计划课题“新型温湿度独立控制空调系统关键技术研究与设备开发”（No.2014BAJ02B01）